#ANSYS 介绍# 什么是工程仿真？

#ANSYS 介绍# 什么是工程仿真?

什么是工程仿真?

工程仿真是全球工程领域发展最为迅猛的细分行业之一。简而言之，它是将工程软件工具应用于设计流程之中，能够对产品或者流程的现有设计或者潜在设计的工作性能进行虚拟测试。

如果没有工程仿真工具，那么就必须构建每个设计备选方案的物理原型，还要进行物理实验测试。如果对设计进行些许改动，都必须重新构建并测试新的原型，因此不但会拖延开发进程，还会增加开发成本。此外，这种测试虽然可能会得出设计达标的最终测试结果，但却无法说明达标的原因和途径。

在设计流程中应用工程仿真工具能够减少大量的物理原型构建和实验工作。此外，还可以在多种场景下迅速高效地测试多种设计备选方案，而其中的部分场景是无法用实验来还原的。得出的结果以数据格式输出，也可以通过三维静止图像或动画输出，方便工程师以可视化的方式清晰了解设计在给定场景中的具体执行情况和原因。工程师掌握这些情况后，不但可迅速优化产品和流程、加速设计和开发进程，还能够显著降低成本、提高产品效益。

通过虚拟原型设计对椅背进行分析，了解椅背与支撑柱之间的耦合响应。

无论是多物理场、结构 (FEA)、流体流动 (CFD)、热力还是电磁，执行工程仿真的流程均需要进行以下三个步骤：

• 预处理；
• 求解／处理；
• 后处理。

  ANSYS 的仿真软件产品组合能够实现这三个步骤。

  预处理

  如果要启动预处理，首先需要将对象或流程通过计算机体现出来。一般来说，可以通过将计算机辅助设计 (CAD) 几何图形导入到工程仿真软件中。也可以使用 ANSYS 软件工具从头构建用来体现用的几何图形(representative geometry)。如果导入的 CAD 文件边缘不够齐整和精确，就必须清理干净，否则会导致仿真不够精确。ANSYS 提供的工具能够处理这一问题。应设定模型的外部界限，以便将仿真限定在定义的范围内，从而加快求解过程。

    

  
  

  一级方程式赛车的气流轨迹（airflow path line）和压力外形仿真由 BMW F1 团队供图

  下一步，创建计算网格，将几何图形的每个平面及其内外的所有空间覆盖，直至模型的外边界。在某些情况下，网格可能包含数百万个独立单元，而网格的复杂程度也是一个重要因素。如需更精准的结果，如边界层，则须在局部网格中使用更小的单元。计算机会解开每个独立网眼的基本数学方程式集，以实现模型的总体仿真预测效果。

  
  

  已网格化的排气歧管，待求解

  随后分配已知参数，如流速、温度、压力、应力负荷等因素，它们会影响所研究产品或流程系统的工作性能。这步完成后即进入模型求解阶段。

  求解／处理

  工程仿真软件采用一系列涉及作用力和元素属性的计算程序来生成模型求解。轻点鼠标即可启动求解工作。软、硬件协同工作能充分发挥效力，每秒完成数以百万计的复杂计算。

  此类仿真采用的物理方程式被科学界所知已有百余年历史。但直到上世纪 40 年代，它们仍然依靠手工计算，由多位工程师轮班计算来求解。而现在，一台计算机就能解决更复杂的问题，而且根据仿真模型的大小和复杂程度，求解时间短的话只需几分钟。一般来说，仿真使用的单元数量越多，计算机求解耗时就越长。可通过强化计算能力来加快求解速度。

  后处理

  可通过研究仿真结果来充分了解分析的影响。工程师使用定量（数值或表格）与定性（图形）工具可精确定位应力和挠度等数据。

  表格数据对工程师和分析师而言尤为重要，其提供的精准数值可用于满足设计、制造、合规等要求。为了将此信息传达给设计流程中的所有相关人员（工程师或其他人员），可使用可视化工具迅速传递仿真结果。结果的各种静态和动画图解表示法对于发现问题和决定在哪些方面需要进一步的研究工作具有重要意义。

  
  

  歧管后处理结果体现了流体流动与机械分析的双重结果

  高性能计算

  高性能计算 (HPC) 是指使用高速处理器 (CPU) 及相关技术解决计算密集型问题。近年来，由于主要使用多个低成本处理器并行进行计算任务，HPC 已得到日渐普及，价格也越来越实惠。现在，对 ANSYS 的客户而言，低成本的计算服务器集群可使大规模并行处理成为可行性极高的战略。事实上，这款新型多核处理器甚至已将桌面工作站转变为执行单一任务的高性能平台。

  HPC 系统的广泛使用将使工程仿真成来未来重大的发展趋势。随着工程师将更详细的几何图形和更真实的物理现象处理融入到仿真模型中，仿真模型的规模也日益变大，需要占用更多的计算机内存和更多的计算时间。这些高保真模型对仿真而言至关重要，能减少昂贵的物理测试需求。通过在工程项目要求的时间范围内给出结果，HPC 系统使高保真仿真成为可能。第二个重要趋势是仿真数量增加——使工程师能够思考多个设计构思，进行参数研究，甚至进行自动的设计优化。HPC 系统能提供同步完成多项仿真所需的吞吐量，因而可在项目早期进行设计决策。

  通过与主要的硬件厂商进行密切合作，ANSYS 致力于实现工程可扩展性的承诺，为客户提供最佳工程仿真解决方案。

  
  

  美洲杯赛艇帆表面压力的大规模仿真。此类分析能体现某些最复杂的物理效应，包括涉及的结构物理学中的流体力学效应、空气动力流体效应和刚度。解决重大问题则需使用高性能计算。

  由 I.M. Viola. 倾情提供

  合作伙伴

  ANSYS 与众多独立软件厂商合作，致力于提供互操作性和集成解决方案，以扩展仿真流程的功能和效率。例如，因工程设计和开发使用了多种 CAD 产品，ANSYS 与主要的 CAD/PLM 开发商进行合作，以确保实现有效的工作流程。我们在其它领域还与软件厂商建立了合作伙伴关系，其中包括声学、气动弹性、化学反应、复合材料、电子、疲劳、物料数据、模具设计、辐射和涡轮机械等。